DE46336C - Wassermotor mit Ventilsteuerung - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Um den Stofs beim plötzlichen Eintreten des Wassers auf den Kolben und die Maschinentheile zu vermeiden und den Wasserverbrauch der Kraft entsprechend zu regeln, ist die Maschine wie nachstehend beschrieben construirt.

Es kommen zunächst die Fig. 1, 2 und 3 in Betracht.

Wie aus Fig. 1, einem Verticalschnitt, ersichtlich, ist der Motor stehend angeordnet. In dem oben offenen Cylinder 1 ist der Kolben 3 durch Pleuelstange mit der gekröpften Kurbelwelle 5 verbunden. Auf diesen ist das Schwungrad 8 und auf die verlängerte Nabe 10 desselben eine Riemscheibei 1 konisch aufgeschoben. Vermittelst Schraube und Scheibe werden Schwungrad und Scheibe gegen den Bund 14 gedrückt. Auf der entgegengesetzten Seite ist am Lagerdeckel 15 die Führung 16 mit dem Arm 18, Fig. 2, in welchem der Winkelhacken 19 drehbar ist, für den Regulator 17 angegossen. Ferner erhält der Lagerdeckel 1 5 einen Arm 20 mit dem winkelförmigen Steuerungshebel 21, Fig. 2. An der Nabe 22 des konischen Rades 23 ist ein Daumen 24 angebracht zur rechtzeitigen Bewegung der beiden Ventile 26 und 27. Der vorerwähnte Steuerungshebel 21 dient zur Bewegung des Auslafsventils 27, Fig. 2, und indirect durch Herausziehen des gelenkartig befestigten Zwischenstückes 28^a zur Steuerung des Einlafsventils 26. Durch Feder 28 wird das Zwischenstück 28^a an dem Anschlag 29 gehalten. Am Hebel 21 ist aufserdem eine lange Blattfeder 30 befestigt, welche die Verbindung mit dem Auslafsventil 27 durch das am Ventilgehäuse 31 geführte Verbindungsstück 32 herstellt.

Das Zwischenstück 28^a ist, wenn in den Cylinder Kraftwasser eintritt, in der aus Fig. 2 ersichtlichen Stellung. Wenn dagegen der Steuerungshebel 21 in die Höhe gehoben ist, so ist das Zwischenstück 28^s herausgezogen, und es kann dadurch bei einem Niederdrücken der Rolle 32^s der Stange 36 durch den Daumen 24 das Einlafsventil 26 vermöge des zwischen 36 und 35 gebildeten Zwischenraumes 36¹¹ nicht geöffnet werden. ,Der weitere Steuermechanismus besteht aus dem am Ständer 33 des Cylinders angeschraubten Gehäuse 34, dem hohlen, oben mit Rolle 32^a versehenen Führungsstück 35 und der in dasselbe eingepafsten Verbindungsstange 36 mit Bund 37. Auf diesem ist eine schwache Feder 38, welche nur das Eigengewicht des Führungsstückes 35 zu überwinden hat, also stets nach oben drückt. Eine zweite Feder 39 unter dem Bund 37 dient dazu, das Einlafsventil an seinen Sitz zu drücken. Bei Anwendung einer Dichtungshülse 41 hat auch diese Feder nur das Eigengewicht des Gestänges zu heben, da der unter dem Ventil befindliche Wasserdruck das Schliefsen desselben bewirkt Zwischen Ventil 26 und Verbindungsstange 36 ist ein Verbindungsstück 40 angeordnet, um Spannungen beider Theile zu vermeiden.

Die Dichtungshülse 41 ist auf dem Ende 41^a aufgeschliffen und zur leichteren Bearbeitung und Auswechselbarkeit in Führung 42 eingeschoben. Durch Platte 43 und Mutter 44^a wird die Dichtungshülse 41 auf seine Dichtung 41^s gedrückt. Der an dem Ventil 26 befindliche kleine Konus 2Ö^a dient dazu, während ca. 0,5 des Kolbenrückganges und der Luftcompression

erexemplaii

im Cylinder die Ventilstange 26 ^b des Ventils abzudichten. Er ist jedoch bei recht genauem Aufpassen der Dichtungshülse 41 oder bei Anwendung einer Stopfbüchse nicht durchaus nöthig.

Es kann hier gleich darauf hingewiesen werden, dafs das Einlafsventil, wenn (durch Zufälligkeiten) der Druck unter dem Kolben bei Compression höher wird, als der Wasserdruck im Ständer ist, als Ausgleichventil wirkt und so einer Zerstörung der Maschinentheile vorbeugt. Das Einlafsventil ist daher auch gleichzeitig Sicherheitsventil. 46 ist der gemeinschaftliche Ein- und Austrittskanal, und die geneigte Lage desselben hat den Zweck, den Austritt des Wassers sowohl zu begünstigen, als auch die Luft möglichst vor dem Wasser herzuschieben, so dafs eigentlich immer Luft hinter dem Kolben ist, Fig. 1 und 3.

Der Cylinder 1 ist doppelwandig gegossen; der sich dadurch bildende Raum 45, Fig. 1, dient einestheils als Windkessel. Dadurch wird bezweckt, was wichtig ist, dafs derselbe möglichst nahe zum Einlafsventil kommt bezw. unmittelbar an dasselbe anschliefst, Fig. 1. Die beiden verticalen Arme 45^a und 45^b bilden ebenfalls einen Windkessel. Die inneren Wandungen der Arme 45^a und 45^b sind mit einem entsprechenden Anstrich zu versehen, damit die Poren des Gufseisens vollkommen geschlossen werden.

Die Wirkungsweise der einzelnen Mechanismen und die Arbeitsweise des Motors ist folgende:

Tritt von der Druckwasserleitung bei 46% Fig. i, Wasser in den Mantel 45 (Windkessel) ein, so preist dasselbe die in demselben befindliche Luft zusammen, entsprechend dem Wasserdruck, so dafs sie sich dann in den beiden Armen 45^a und 45^b befindet und der Abstand der Luft von dem Eintrittswasser .daher grofs ist. Stellt man den Kolben 3 durch Drehen am Schwungrad 8 bis ca. zur Hälfte des Niederganges des Kolbens, so wird in diesem Moment das Auslafsventil geschlossen und alsdann die unter dem Kolben im Raum 47 befindliche Luft geprefst. Die Grenze, wann die Pressung beginnen soll und wie grofs der Raum unter dem Kolben sein mufs, wird nach dem jeweiligen Wasserdruck bestimmt. Doch empfiehlt es sich, die Compression nur innerhalb praktischer Grenzen vorzunehmen. Wird nun vermittelst Daumens 24 durch die Theile 32% 35, 28^a, 36 und 40 in dieser Lage des Kolbens das Einlafsventil 26 geöffnet, so tritt das Druckwasser mit seinem vollen Druck in den Cylinder ein, bis etwa 0,5 bis 0,6 des Hubes, und schiebt die geprefste Luft vor sich her. Von da ab expandirt die geprefste Luft bis circa 0,87; in diesem Moment öffnet sich das Auslafsventil 27, indem der gleiche Daumen 24 die Theile 21, 30, 32 hebt. Der noch geringe Ueberdruck (weicher allerdings verloren geht) ist aus dem Diagramm (schwarz angelegt, Fig. 6) ersichtlich, wirkt schon jetzt das Wasser austreibend. Im nächsten Augenblick, bei 0,9, trifft der untere Kolbenring 2^a auf das Luftloch 47¹¹ und läfst oben Luft in den Cylinder ein, so dafs der Austritt des im Cylinder befindlichen Wassers entsprechend erfolgen kann. Der schwache Ueberdruck bewirkt, dafs der Austritt des Wassers nicht schlagend vor sich geht. Aufserdem ergiebt die Construction des Daumens ein allmäliges Oeffnen der Ventile und ein rasches Schliefsen derselben. Das Luftloch 47^a ersetzt gleichzeitig bei jedem Kolbenhub die durch event. Undichtheiten verloren gegangene Luft. Wäre dasselbe nicht vorhanden, dann würde es sehr fraglich sein, selbst bei sehr grofsem Austrittsventil, dafs das Wasser durch die im Cylinder befindliche Luft bei der Bewegung des Kolbens von ο bis 0,5 Rückgang aus dem Cylinder entfernt werden würde. Es geht daraus hervor, wie wichtig es ist, dafs das Wasser, schon bevor der Kolben in den oberen todten Punkt gelangt, austritt und eine Oeffnung vorhanden ist, welche den Austritt des Wassers durch Luft ersetzt, ohne dafs die Luft durch das Wasser zu treten braucht. Hat der Motor die normale Umlaufszahl erreicht, dann hebt sich der Regulator 17 und mit ihm der krumme Hebel 21, Fig. 11. Der Daumen 24 hebt den letzteren, nämlich mit seinem Ansatz 47^b etwas höher als den Hacken 48 des Winkelhebels 19, so dafs noch ein kleiner Spielraum zwischen beiden entsteht. Dadurch wird alsdann der Hebel 21 oben festgehalten und das Auslafsventil 27 geöffnet. Da das Zwischenstück 28^s in diesem Moment ebenfalls herausgezogen ist, so macht die Kurbelwelle 5 einige Umdrehungen, je nachdem Kraft von dem Motor verlangt wird, ohne dafs das Einlafsventil geöffnet wird. Ist nämlich das Zwischenstück 28¹¹ herausgezogen, so wird der Daumen 24 jedesmal nur das Führungsstück 35 herunterdrücken, ohne Einwirkung auf das Ventilgestänge. Sinkt die Tourenzahl, so kann vermöge des Spielraumes 49, welchen der Winkelhebel 19 am Regulator 17 hat, letzterer sinken, ohne dafs Hebel 19 vom Hebel 21 losgerissen wird. Erst wenn der Daumen 24 den Hebel 21 mit Ansatz 47^b von dem Hacken 48 des Winkelhebels 19 lüftet, kann vermöge des kleinen Uebergewichtes der horizontale Arm 19^a heruntersinken, in welcher Stellung 48 nicht mit 47^b einklinken kann. Der Hebel 21, Zwischenstück 28^a sammt Auslafsventil 27 folgt nun dem Daumen, und in vorbezeichneter Kolbenstellung beginnt wieder Pressung und Wassereintritt in der todten Lage des Kolbens etc. Zur Abstellung des Motors empfiehlt sich die Anwendung einer Vorrichtung, welche den Regulator in die Höhe hält, wodurch das Zwischenstück 28^a herausgezogen ist, so dafs das Einlafsventil geschlossen bleibt und daher

beim Rotiren der Kurbel kein Wasser in den Cylinder tritt. Eine solche Vorrichtung ist aus Fig. 2 ersichtlich und besteht aus einem Stützhebel 50, durch welchen der Regulator in die Höhe gestellt und alsdann in der Stellung gehalten werden kann, so dafs das Einlafsventil beständig geschlossen und das Auslafsventil beständig offen gehalten ist. Es wird dadurch auch in allen Fällen der volle Druck des Wassers ausgenutzt und auch dem Laien unmöglich gemacht, bei mehr oder weniger Kraftverbrauch die Regulirüng durch mehr oder weniger Oeffnen der Zuleitungsventile durchführen zu wollen.

Zieht man vor, das Luftkissen und den Ausfall von Füllungen nicht anzuwenden, so erreicht man dies bei der sonst gleichen Maschine dadurch, dafs man dem Kolben γ ein selbstfhätiges Luftventil 51, Fig. 4 und 5, giebt und _; den Cylinder bei jedem Hüb, d. h. wenn der ^: Regulator nicht einwirkt, nahezu mit dem ganzen Wasserdruck vollfüllt.

Um die Geschwindigkeit zu reguliren, wird (statt-wie bei den bisher bekannten Motoren den Wasserdruck zu drosseln) durch den abgeschrägten Daumen 52 die Füllung durch das Einlafsventil von ganzer bis Y₁₀-Füllung variirt. Es wird durch den Daumen, je nach dem Kraftbedarf und der Kolbenstellung, das Einlafsventil geschlossen und stets im todten Punkt geöffnet, und wenn der Druckausgleich im Cylinder stattgefunden hat, öffnet sich das Luftventil 51 im Kolben und läfst denselben ohne Kraftverlust bis zum oberen todten Punkt rotiren.

Beim Rückgang des Kolbens wird das Wasser und die Luft durch Oeffnen des durch eine Curve 53^a des Rades 53 beeinflufsten Auslafsventils 27 ausgelassen und letzteres kurz vor dem unteren todten Punkt geschlossen, so dafs der in dem Kanal vorhandene Raum comprimirt wird. Um letzteres den örtlichen Verhältnissen anpassen zu können, ist das Rad 53 mit der Curve 53^a verstellbar eingerichtet, so dafs je nach Stellung das Auslafsventil früher oder später geschlossen und dadurch die Compression erhöht oder erniedrigt wird.

Zu vorbeschriebener Einrichtung ist für den Wasser-Ein- und Austritt ein gemeinschaftlicher Kanal vorhanden, an dem jedoch das Einlafsventil 26 ganz an dem äufsersten Ende angeordnet ist, zu dem Zweck, eine möglichst ruhige Wasserbewegung zu bewirken. Die sonstige Construction ist aus Fig. 4 ersichtlich.

Die zuletzt beschriebene Construction kann auch, wie aus Fig. 7 ersichtlich, in umgekehrter Anordnung angewendet werden, d. h. mit dem Cylinder nach oben, wobei jedoch der Windkessel 45 im Mantel wegfällt und in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise angeordnet wird. Hierbei besitzt der Motor genau dieselbe Regelung mittelst Auslasses oder mittelst Füllungen durch den abgeschrägten Daumen.

Jedoch kommt das selbstthätige Luftventil 51 nicht in den Kolben, sondern wird im Cylinderdeckel angeordnet, mit demselben Zweck, beim Arbeiten die Luft nicht durch das Wasser saugen zu müssen. Der Kolben selbst erhält noch ein Ventil 54, welches beim Kolbenrückgang auf einen gewissen Weg desselben durch Anstofs des bei 5 5 an der Pleuelstange befestigten Ansatzes an seine Ventilstange gesteuert wird. Geht der Kolben nach abwärts, so ist das Ventil geschlossen. Bei circa 0,80 seines Herunterganges hat das Einlafsventil bei gröfster Füllung den Zutritt des Wassers abgesperrt und nun kommt der obere Kolbenring 2^a mit den Kanälen 55% Fig. 7 und 8, in -Verbindung, so dafs das Wasser sofort von 0,80 des Kolbenhubes nach abwärts bis zum Hubwechsel und circa 0,20 des Kolbenrückganges in den vollständig geschlossenen Mantel des Motors und durch die Oeffnung 55^b abfliefst. Wie oben erwähnt, wird beim Kolbenrückgang das Ventil 54 durch den Ansatz 55 der Pleuelstange offen gehalten, und zwar von 0,15 bis 0,80 des Weges, um einestheils eine vorzeitige Compression zu verhüten, anderentheils aber die etwa noch im Cylinder befindliche Menge Wasser herauszulassen. Wie aus der Zeichnung, Fig. 7, ersichtlich, ist der Einlafskanal so construirt, dafs er immer mit Wasser gefüllt bleibt, um den schädlichen Raum nach Möglichkeit zu verkleinern. Das Wasser tritt unterhalb des Windkessels 45 in den durch die punktirten Linien angedeuteten Oeffnungen seitlich ein. Die Regulirüng des Einlafsventils geschieht auch durch einen abgeschrägten Daumen 52 der Kurbelwelle, wie bei Fig. 4, jedoch mit der Abänderung, dafs mit dem Regulator ein in dem Gehäuse 56 drehbarer Winkelhebel 57 verbunden ist, der die Rolle 58 der Ventilstange 36 verschiebt, mittelst welcher in Verbindung mit dem abgeschrägten Daumen 52 das rechtzeitige Oeffnen des Ventils 26 bewirkt wird. Die Wirkungsweise vorbeschriebenen abgeänderten Motors ist folgende:

Man dreht das Schwungrad derart, dafs der Kolben circa 0,80 des Aufganges zu stehen kommt, und preist dadurch die oberhalb befindliche Luft zusammen. Der Daumen 52 öffnet alsdann im todten Punkt das Einlafsventil 26 j so dafs nun der Kolben heruntergedrückt wird. Ehe alsdann der obere Kolbenring 2^a mit den Kanälen 5 5^a in Verbindung treten kann, schliefst sich das Einlafsventil, worauf alsdann, nachdem sich das selbstthätige, nur mit einer schwachen Feder zur Hebung seines Eigengewichtes versehene Ventil 5 1 öffnet, Luft in den Cylinder tritt und daher das Wasser durch Kolbenring 2^a, Kanäle 55^s1 etc. rasch abfallen und durch Oeffnung 55^b abfliefsen kann. Beim Kolbenrückgang wird nun das Ventil 54 geöffnet, bis circa 0,80 des Weges, worauf Compression eintritt und das

Spiel sich von neuem wiederholt. Die Regulirung läfst Wasser je nach Bedarf ein, und hat der Druckausgleich stattgefunden, tritt Luft durch das Ventil 51 auf das Wasser.

Zieht man vor, das selbsttätige Luftventil im Kolben und die Oeffnung zum Ersatz der verloren gegangenen Luft zu umgehen und den Zweck der sicheren Entfernung des Verbrauchswassers im Moment der Compression zu erreichen, so gelangt man dazu, dem Kolben eine Arbeitsweise zu geben, welche an eine Viertaktbewegung erinnert.

Hierbei wird alsdann die gleiche Steuerung, wie die von Fig. 1 und 2 etc. angewendet, jedoch wird sie nicht direct von der Kurbelwelle 5 aus in Thätigkeit gesetzt, sondern, wie aus Fig. 18 und 19 ersichtlich, von einem Vorgelege α aus, das an dem Arm 45^b angebracht ist, mit Uebersetzungsrädern r r¹ derart, dafs a die Hälfte Umdrehungen macht wie die Welle.

Aufserdem ist aufser dem Daumen 24 für die Einlafsventilstange noch ein solcher 24^a (getheilt links und rechts von diesem) auf dem Vorgelege α angeordnet, wobei der Winkelhebel 21, welcher von dem letzteren wie bei Fig. ι periodisch gehoben wird, aufwärts gebogen und über dem Daumen 24 gespalten ist, damit dieser rotiren kann, ohne den Winkelhebel zu beeinflussen.

Es wird sonach folgende Arbeitsweise eintreten :

Beim Rückgang des Kolbens, Austritt des Wassers und der Luft durch Offenhalten des Auslafsventils,

beim Aufgang des Kolbens Ansaugen von Luft,

beim Rückgang des Kolbens Compression der Luft durch Schliefsen des Auslafsventils in entsprechender Kolbenstellung.

Durch solchen Viertakt erreicht man gleiche Compression und ruhiges Arbeiten, wenn vielleicht auch etwas Kraftverlust damit verbunden ist.

In der Zeichnung ist aufser den in der Beschreibung in Bezug genommenen Figuren noch in Fig. 9 eine Seitenansicht von Fig. 1 gegeben, Fig. 10 ein Grundrifs davon; Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht, Fig. 12 einen Rifs, senkrecht zu Fig. 4, Fig. 13 einen Schnitt, senkrecht zur Bildfläche von Fig. 7 durch den Arbeitscylinder, Fig. 15 einen solchen durch das Einlafsventil und Fig. 14 eine Seitenansicht von Fig. 7. Die Fig. 16 und 17 zeigen die Form des Daumens 52 und der Curve 53 von Fig. 4.

Claims (4)

Pa tent-Ansprüche:

1. Ein Kraftwassermotor mit Ventilsteuerung, in Zwei- oder Viertakt arbeitend, derart, dafs in dem Cylinder beim ZurUckgang des Kolbens Luft comprimirt und dadurch das Einlafsventil einerseits entlastet wird, und dafs dieses andererseits von dem Arbeitswasser unter dem Druck der durch dasselbe in einem in unmittelbarer Nähe angebrachten Expansions- oder Windkessel so lange geschlossen gehalten wird, bis es in der Todtlage des Kolbens durch eine Steuerung geöffnet wird, so dafs dadurch und durch die nahe Verbindung des Windkessels mit dem Cylinder das Kraftwasser einen ruhigen und anhaltenden Druck auf den Kolben ausübt und die geprefste Luft expandirt, wobei nach jedem Kolbenhub ein selbstthätiger Luftersatz immer oberhalb des Wassers durch ein Ventil oder eine Bohrung (Fig. 1 und 7) oder im Kolben (Fig. 5) erfolgt.

2. Bei dem Kraftwassermotor von Patent-Anspruch i. die durch einen Daumen der Kurbelwelle vermittelst des Steuerhebels' 21 und der Steuerstange 36 (Fig. 1 und 2) bewirkte Neuerung des Einlafsventils 26 und des Auslafsventils 27 und die Regulirung des Motors in der Weise, dafs bei ersterer bei rascherem Gang in der Maschine das Auslafsventil offen gehalten wird Und dabei nur Luft aus- und eintritt und das Einlafsventil geschlossen so lange erhalten wird, bis durch den dadurch verursachten Ausfall von Wasserfüllung und Compression die normale Tourenzahl eingetreten ist.

3. Statt der Steuerung und Regulirung nach Patent-Anspruch 2. eine solche durch die Curve 5 3^a und den abgeschrägten Daumen 52, durch welchen die Füllungen variabel gemacht werden. Hierbei die Vergrößerung oder Verkleinerung der Compression im Cylinder durch die Verstellbarkeit der Curve 53^a, welche das Auslafsventil früher oder später schliefst, wodurch der Kolben früher oder später zu comprimiren beginnt.

4. Bei Umkehrung des Motors von Patent-Anspruch ι. nach Fig. 7 die Anordnung eines immer mit Wasser gefüllten Einlafskanales, zum Zweck, in der Kolbenstellung nahe im oberen todten Punkt genügende Compression zu ermöglichen, und die Anordnung eines Ventils 54 im Kolben, welches beim Aufwärtsgehen durch die Pleuelstange geöffnet, und dadurch der Austritt von Verbrauchswasser und Luft bewirkt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen.